基于PXI總線的飛航導(dǎo)彈武器裝備ATS現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭洪巖，張秀勇，何慧

(北京振興計(jì)量測(cè)試研究所，北京100074)

0 引言

上世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)的飛航導(dǎo)彈武器裝備有了跨越式發(fā)展，國(guó)防工業(yè)部門研制生產(chǎn)了各系列飛航導(dǎo)彈武器系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，飛航導(dǎo)彈武器裝備的復(fù)雜程度越來(lái)越高，為了滿足其研制、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及維護(hù)保障需求，自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱ATS)大量應(yīng)用，已經(jīng)逐步成為飛航導(dǎo)彈武器裝備的主要檢測(cè)維護(hù)手段和可靠運(yùn)行的必要保證，是各級(jí)軍械保障大隊(duì)必備的保障裝備之一。

ATS是通過(guò)各類總線構(gòu)建的多功能、多參數(shù)的先進(jìn)綜合性測(cè)試系統(tǒng)，與傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、價(jià)格昂貴，因此如果將ATS完整系統(tǒng)送計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢定校準(zhǔn)，人力、物力成本高，且在檢定校準(zhǔn)后的運(yùn)輸過(guò)程中有可能導(dǎo)致ATS的失準(zhǔn);而如果將ATS的各功能模塊拆開(kāi)分別送檢，由于ATS測(cè)試通道多，需要激勵(lì)的信號(hào)繁雜，不僅導(dǎo)致檢定難度增加，更主要的是無(wú)法考察整個(gè)ATS系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)是否符合相關(guān)技術(shù)要求。這要求ATS檢定校準(zhǔn)由傳統(tǒng)的單值計(jì)量向多參數(shù)的綜合計(jì)量轉(zhuǎn)化、各獨(dú)立模塊單獨(dú)計(jì)量向系統(tǒng)級(jí)計(jì)量轉(zhuǎn)化、手動(dòng)人工計(jì)量向自動(dòng)化計(jì)量轉(zhuǎn)化、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)檢定向現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)動(dòng)化檢定轉(zhuǎn)化。因此，研制涵蓋多參數(shù)，具備通用性、可擴(kuò)展性的自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置成為必然的選擇。

本文介紹了一種基于PXI總線的飛航導(dǎo)彈武器裝備現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案［1，2］。該方案通過(guò)虛擬儀器編程語(yǔ)言LabVIEW完成程序集的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛航導(dǎo)彈武器裝備自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)檢定。該方案既能縮短設(shè)備的開(kāi)發(fā)周期，開(kāi)發(fā)出界面友好的測(cè)試軟件，又能使檢定系統(tǒng)具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 ATS分析

ATS涉及參數(shù)類型多，有電學(xué)、無(wú)線電、幾何量等，既有靜態(tài)性能，又有動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試。ATS組成隨著被測(cè)對(duì)象組成的不同會(huì)有一些差異，但基本上都可分為三部分:通用電氣平臺(tái)、通用外圍設(shè)備和專用外圍設(shè)備，其組成框圖如圖1所示。

通用電氣平臺(tái)一般由通用電源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及控制總線組成。通用外圍設(shè)備一般包括具有通用功能的貨架產(chǎn)品(如示波器、通用信號(hào)源、大功率電源)、標(biāo)準(zhǔn)總線程控模塊等;按其實(shí)現(xiàn)功能的不同可分為模擬類、數(shù)字類、開(kāi)關(guān)類和脈沖類，除開(kāi)關(guān)類外，其他三類都包含激勵(lì)類和響應(yīng)類。專用外圍設(shè)備中更多的是專用設(shè)備，如專用雷達(dá)信號(hào)源、高度模擬器、高度表信號(hào)源、雷達(dá)目標(biāo)模擬器、紅外目標(biāo)模擬器、轉(zhuǎn)臺(tái)、景象模擬器等，這些設(shè)備與具體型號(hào)上的分系統(tǒng)密切相關(guān)，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象而組合使用。

綜上，ATS具有如下特點(diǎn):

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動(dòng)化程度高

ATS一般把多種不同的控制或測(cè)試設(shè)備集成在一個(gè)或幾個(gè)機(jī)箱或機(jī)柜里，甚至集成在一部測(cè)試車或方艙里，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜;系統(tǒng)基于程控總線平臺(tái)搭建，各專用、通用外圍設(shè)備均具備程控接口，自動(dòng)化程度高。

圖1 ATS組成框圖

2)涉及計(jì)量參數(shù)較多

ATS所涉及到的參數(shù)種類多，除了通常的電壓、電流、頻率、電阻等電學(xué)參數(shù)，功率、衰減、脈沖參數(shù)等無(wú)線電參數(shù)，還有很多幾何量、光學(xué)等參數(shù)。

3)信號(hào)接口復(fù)雜多樣，與標(biāo)準(zhǔn)接口不匹配

為了保障測(cè)試數(shù)據(jù)可靠、真實(shí)，ATS要盡可能地接近被測(cè)設(shè)備(UUT)，由于UUT接口的多樣性和特殊性，導(dǎo)致ATS信號(hào)接口復(fù)雜，很難與檢定系統(tǒng)相匹配。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

針對(duì)ATS的測(cè)試需求及自身特點(diǎn)，本現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)(OVS)的設(shè)計(jì)思想為:

1)信息化——提高計(jì)量系統(tǒng)的信息化能力

實(shí)現(xiàn)計(jì)量過(guò)程的自動(dòng)化、計(jì)量信息的數(shù)字化和技術(shù)支持的實(shí)時(shí)化。既方便部隊(duì)使用，有效減少人為誤差，提高測(cè)試準(zhǔn)確度，又能夠分步實(shí)現(xiàn)計(jì)量工作管理、超期預(yù)警、設(shè)備健康管理等功能。同時(shí)，保持計(jì)量系統(tǒng)和采用的信息化技術(shù)具有一定的前瞻性，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)的綜合數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程技術(shù)支持奠定基礎(chǔ)。

2)機(jī)動(dòng)性——實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量保障

OVS應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的機(jī)動(dòng)性?？裳b載在方艙或特裝車上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)化，也可以根據(jù)需要在指定的時(shí)間到達(dá)指定的地點(diǎn)，有利于根據(jù)整體的作戰(zhàn)方案部署計(jì)量保障工作，開(kāi)展大范圍的計(jì)量保障。

3)擴(kuò)展性——具備檢定功能可擴(kuò)展性

OVS預(yù)留擴(kuò)展接口，通過(guò)適當(dāng)增加通用、專用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、配備相應(yīng)計(jì)量軟件，實(shí)現(xiàn)或擴(kuò)展參數(shù)、或擴(kuò)展量程，最終實(shí)現(xiàn)兼容其它型號(hào)ATS的計(jì)量檢定要求。

4)可溯源性——保證ATS的量值能夠溯源到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［3］

ATS中需要計(jì)量的儀器儀表的量值溯源到OVS，OVS中的標(biāo)準(zhǔn)儀器、設(shè)備可以溯源到滿足條件的部隊(duì)計(jì)量站或具備資質(zhì)的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)，通過(guò)不間斷的溯源鏈，最終溯源到國(guó)家或國(guó)防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 設(shè)計(jì)方案

按照被檢ATS的參數(shù)分類，可將OVS劃分為對(duì)應(yīng)功能的分系統(tǒng)檢定裝置，各分系統(tǒng)檢定裝置在系統(tǒng)主機(jī)的控制下協(xié)同工作。系統(tǒng)主機(jī)與被檢ATS主控計(jì)算機(jī)之間通過(guò)專用計(jì)量軟件實(shí)現(xiàn)通訊，形成全自動(dòng)的檢定流程，最終打印輸出檢定證書(shū)。OVS組成框圖如圖2所示。

圖2 OVS組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

鑒于OVS相對(duì)復(fù)雜，本文重點(diǎn)介紹電氣參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置的設(shè)計(jì)，其他參數(shù)可參考設(shè)計(jì)。

2.1 電氣參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置功能分析

電氣參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置主要負(fù)責(zé)計(jì)量ATS中的交直流電源、UPS電源、電氣通道電壓測(cè)量及電壓輸出、電阻測(cè)量等。因此，電氣參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置應(yīng)具有手動(dòng)、程控兩種操作方式，具備交直流信號(hào)輸出功能，具備交直流電壓、交直流電流、電阻、頻率測(cè)量、失真、具備功能，可程控通道數(shù)量多(本系統(tǒng)具有96通道)。

2.2 電氣參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置硬件設(shè)計(jì)

電氣參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)由測(cè)控主機(jī)、電子負(fù)載、適配器等組成，如圖3所示。

圖3 電氣參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)框圖

測(cè)控主機(jī)主要有信號(hào)輸出和測(cè)量功能，采用PXI總線構(gòu)架，包括PXI機(jī)箱、PXI控制器板卡、PXI DA板卡、PXI數(shù)字表板卡、PXI示波器板卡、PXI矩陣開(kāi)關(guān)板卡等。其中，PXI數(shù)字表板卡能夠滿足對(duì)電壓、電阻等的測(cè)量功能;PXI示波器板卡能夠滿足對(duì)直流電源紋波、交流電源失真度、相位、頻率等的測(cè)量功能;PXI矩陣開(kāi)關(guān)板卡能夠?qū)崿F(xiàn)不同通道的自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)量。

PXI D/A卡輸出的幅度一般不超過(guò)±10 V，不能滿足ATS的±60 V(峰峰值)電壓的計(jì)量需求，因此需要對(duì)D/A卡輸出的電壓進(jìn)行放大。本檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由PXI機(jī)箱內(nèi)背板供電的信號(hào)調(diào)理卡，電壓輸出范圍-60～+60 V，其直流電壓準(zhǔn)確度±0.02%，交流電壓(60～1000 Hz)準(zhǔn)確度±0.05%。

負(fù)載由直流負(fù)載和交流負(fù)載組成，分別用于現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量直流電源和交流電源。測(cè)控主機(jī)和電子負(fù)載均有程控接口，便于通過(guò)軟件配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢定。

接口適配器是將電氣參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)的專用接口轉(zhuǎn)換為與被檢ATS項(xiàng)匹配的接口形式，可以根據(jù)不同的ATS更換相應(yīng)的接口適配器，這樣可以實(shí)現(xiàn)一套電氣參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)兼容多個(gè)被檢ATS，實(shí)現(xiàn)功能的最大化。

3 軟件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

電氣參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)采用虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，便于通過(guò)修改軟件擴(kuò)展系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)主要包括:硬件驅(qū)動(dòng)、虛擬儀器、測(cè)試管理等。硬件驅(qū)動(dòng):模塊廠家提供的或者設(shè)計(jì)者自己編制的儀器驅(qū)動(dòng)庫(kù)，完成PXI模塊在Windows操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和連接;虛擬儀器:設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)的程序，用于滿足各種應(yīng)用測(cè)試的需要;測(cè)試管理:設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)的應(yīng)用測(cè)試程序，包括信號(hào)采集、分析、處理、波形顯示、數(shù)據(jù)通信與儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、檢定證書(shū)生成、管理與打印等。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件基于LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制，利用其模塊化和遞歸方式，用戶可以在很短的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建、設(shè)計(jì)和更改自己的虛擬儀器系統(tǒng)［4］。根據(jù)被檢ATS的特點(diǎn)，該系統(tǒng)軟件采用如圖4所示的模塊化設(shè)計(jì)思路。軟件由多個(gè)功能測(cè)試模塊組成，便于開(kāi)發(fā)擴(kuò)展。針對(duì)不同的計(jì)量項(xiàng)目選擇主接口程序，來(lái)調(diào)用不同計(jì)量模塊［5］。

圖4 系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)除了完成ATS現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量所需的計(jì)量模塊外，還具有系統(tǒng)自檢和系統(tǒng)溯源兩個(gè)模塊，分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的自檢功能和溯源功能。系統(tǒng)自檢功能是依靠系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)字表板卡和數(shù)模轉(zhuǎn)換卡實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，結(jié)合相關(guān)門限設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的功能性檢查，便于該系統(tǒng)的日常維護(hù)和排故。為了實(shí)現(xiàn)溯源功能，該系統(tǒng)在硬件和軟件方面都進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)。硬件方面設(shè)計(jì)了專門的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)接口(如圖3所示)，將內(nèi)部需要計(jì)量的板卡(如數(shù)字表、示波器等)的輸入輸出端子連接到系統(tǒng)前面板，并設(shè)計(jì)成通用的標(biāo)準(zhǔn)接口形式，便于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備連接;軟件方面設(shè)計(jì)了專門的計(jì)量溯源軟件，便于計(jì)量人員操作該系統(tǒng)完成溯源工作。

該系統(tǒng)的測(cè)控主機(jī)采用PXI總線形式，其PXI控制器板卡集成了USB，GPIB、串口、以太網(wǎng)以及其他外圍設(shè)備，通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)軟件可以方便的控制操作其他硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)檢定。因此，該軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮了對(duì)被檢ATS的操作。以ATS電壓輸出精度計(jì)量過(guò)程為例，簡(jiǎn)要程序流程圖如圖5所示。

圖5 測(cè)試流程圖

本系統(tǒng)中，失真度和相位測(cè)量是關(guān)鍵技術(shù)。失真度和相位測(cè)量硬件均基于PXI示波器模塊(也即數(shù)字化儀)。

失真度測(cè)量方法為頻譜分析法，具體步驟為:①配置數(shù)字化儀的一個(gè)通道采集信號(hào);②根據(jù)采集的信號(hào)選定相應(yīng)的窗函數(shù)并加窗處理;③進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，并對(duì)各點(diǎn)相對(duì)于最大值進(jìn)行歸一化處理;④編程尋找基波頻率點(diǎn)及其幅值;⑤在各諧波頻率點(diǎn)附近尋找最大各諧波幅值;⑥由失真度定義計(jì)算失真度。

相位測(cè)量方法為過(guò)零鑒相法，具體步驟為:①配置數(shù)字化儀的兩個(gè)通道同時(shí)采集信號(hào);②編程尋找信號(hào)A幅值過(guò)零時(shí)刻點(diǎn)t1;③編程尋找信號(hào)B幅值過(guò)零時(shí)刻點(diǎn)t2;④計(jì)算t2與t1的時(shí)間差并除以周期T再乘以360得到相位角。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

具備較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性是該現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量檢定系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想之一。為了實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)思想，該系統(tǒng)采用了12U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜和便攜式PXI機(jī)箱組成。12U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)部集成交直流負(fù)載，并且底部有四個(gè)輪子便于移動(dòng)。便攜式PXI機(jī)箱集成測(cè)控主機(jī)部分、顯示器和鍵盤(pán)等外設(shè)，其側(cè)面蓋板處采用內(nèi)凹式設(shè)計(jì)，在插入PXI板卡后仍有空間(深度大約8 cm)進(jìn)行接線轉(zhuǎn)接，方便進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

該現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)不僅具有人機(jī)界面友好、操作方便、智能化程度和測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)，從總體方案設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)集成、軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)等方面都遵循信息化、機(jī)動(dòng)化、可擴(kuò)展、可溯源的設(shè)計(jì)思想。該現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)，目前已經(jīng)準(zhǔn)備應(yīng)用到某型導(dǎo)彈自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的保障系統(tǒng)中，為提高導(dǎo)彈自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性提供了極佳手段，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

［1］閆淑群，黎玉剛，母勇民，等.基于PXI總線的導(dǎo)彈自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19(8):1923-1928.

［2］蔣新廣，柳維旗，姜志保，等.基于PXI總線的某型導(dǎo)彈綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2012，34(4):151-155.

［3］中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院.JJG 381-1986BX-21型低頻數(shù)字相位計(jì)檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1986.

［4］楊樂(lè)平，李海濤.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［5］吳小良，胡旭東，張建新，等.基于虛擬儀器的三相多功能電能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，2(27):181-185.